MAPPATURE E MONITORAGGIO DEL CON SISTEMI A.P.R. …mapdesignproject.tecaitalia.it/images/GIS_Day/41_b... · 2018-02-16 · Massimo Micieli e Mirco Taranto Fig. 2 – APR multirotori

MAPPATURE E MONITORAGGIO DEL TERRITORIO CON SISTEMI A.P.R.(AEROMOBILI A PILOTAGGIO REMOTO)

M. Micieli1 , M. Taranto2

1 Docente a contratto UNICAL, Titolare GEOTEST di Micieli Massimo, Geologo libero professionista.2 Geologo libero professionista.

1 – Stato dell’arte sull’utilizzo degli APR

La possibilità di osservare a diverse altezze e con diverse angolazioni il territorio, ha portato negli ultimianni ad una diffusione capillare ed esponenziale dei sistemi APR (Aeromobile a Pilotaggio Remoto)meglio conosciuti come Droni ad uso civile.Gli APR presentano enormi potenzialità sia in termini di precisione che di operatività, consentendonon solo l’abbattimento dei costi d’esercizio, ma anche la possibilità di intervenire in ambiti che, per leloro peculiarità, non potrebbero essere analizzati con velivoli convenzionali. Lo sviluppo tecnologiconell’ambito della sensoristica ha permesso di equipaggiare i droni con molteplici carichi, nello spettrodel visibile (camere digitali compatte o professionali), nell’infrarosso (camere termiche), cameremultispettrali, fino ad arrivare a sensori più evoluti quali camere a 360° oppure sistemi Lidar.In particolare, l’uso tecnico predominante è rappresentato dall’aerofotogrammetria di prossimità, ossia,l’uso di un sensore fotografico equipaggiato sull’APR che tramite voli programmati, con l’uso di unGPS, permette di realizzare strisciate fotografiche con percentuali di sovrapposizioni ben definite. Lequali elaborate attraverso software specifici permettono la restituzione di:

- modelli 3D del terreno;- nuvole di punti;- ortofotomosaici;- curve di livello.

Tutti i dati ottenuti contengono le coordinate x, y, z secondo un dato sistema di riferimento;permettendo l’esportazione sui più comuni sistemi GIS, offrendo inoltre la possibilità di poter esseresovrapposti alle cartografie tecniche ufficiali.Tuttavia, i sistemi APR presentano anche dei limiti:

- l’autonomia di volo;- la scarsa stabilità in presenza di vento;- la stretta dipendenza dai marker a terra per avere dettagli accettabili nei rilievi topografici.

1.1 – Il contesto nazionale.L’utilizzo degli APR in Italia è stato normato dall’Ente Nazionale Aviazione Civile (ENAC), che hadeliberato un apposito regolamento inerente il loro utilizzo. Un atto necessario a dare il via ad unmercato ampio ed in continua espansione, nel quale le piccole e medie imprese regolarmente certificatepossono operare.L’offerta nell’attuale panorama nazionale è rappresentata da diverse società che realizzano APR, sia peruso hobbistico che professionale; le prime hanno come obiettivo principale quello di contenere i costi epermettere applicazioni prettamente ludiche, le seconde sono quelle che investono maggiormente inricerca e sviluppo. L’evoluzione e l’integrazione con nuove e sofisticate strumentazioni permettono dioffrire ai professionisti del settore sistemi di supporto ai normali processi lavorativi. Alcune attività cherichiedevano considerevoli investimenti in termini temporali, possono essere ora realizzate in modoparzialmente o totalmente automatizzato, riducendo di conseguenza i costi ed aumentando nelcontempo la qualità di taluni risultati.

Mappature e monitoraggio del territorio con sistemi A.P.R. (Aeromobili a Pilotaggio Remoto)

Tra gli APR esistono delle differenze che li rendono più o meno idonei allo svolgimento di specificheoperazioni; la distinzione principale per caratterizzare un drone è basata sul tipo di ala con la quale èequipaggiato, si dividono in:

- Ala fissa- Ala rotante (o multirotori)

Quelli ad ala fissa (fig. 1) hanno la forma di piccoli aeroplani e vengono spinti da una elica posizionatasulla coda dell’APR, i maggiori vantaggi nell’uso di questi sistemi sono:

maggiore autonomia di volo: gli APR ad ala fissa sono in grado di volare per oltre 45minuti consecutivamente, mentre gli APR multicottero hanno, normalmente, una autonomiamolto più ridotta (di solito pari a 10-20 minuti, nei quali sono comprese le operazioni didecollo e atterraggio);

maggiori superfici coperte in minor tempo: gli APR ad ala fissa consentono di copriresuperfici fino a 10 Km2 con un unico volo, raggiungendo velocemente la quota di interventoe mantenendo elevata la propria operatività; un APR multicottero necessita invece dicontinui pit-stop e di tempi più lunghi per recuperare il work–point da cui riprendere lamissione;

migliore qualità del risultato fotografico: la qualità delle immagini per l’utilizzoprofessionale e tecnico dipende fortemente dalle condizioni di illuminazione che, per loronatura, possono cambiare anche nel corso dello stesso volo; la possibilità dei droni ad alafissa di coprire in tempi ridotti e con continuità ampie superfici, consente di mantenere unamigliore uniformità delle immagini riprese e, conseguentemente, un’elevata qualità delrisultato finale;

migliore resa aerodinamica e minore influenza delle condizioni ambientali: gli APRad ala fissa possono volare con velocità del vento che arrivano fino a 45 Km/h, mantenendola stabilità del volo ed il corretto assetto nadirale, necessario per ottenere immaginiortofotografiche corrette.

Fig. 1 – APR ad ala fissa.

Gli APR multirotori (o ala rotante, fig. 2) sembrano dei piccoli elicotterini con sistemi di bracci rotantiposti lungo un piano, il numero di eliche e motori può variare (in media da 3 ad 8) a seconda dellatipologia e del loro uso, i maggiori vantaggi di questi sistemi sono:

possibilità di stazionare in un dato punto: sono gli unici APR capaci di osservare dallostesso punto in quota una determinata area o fenomeno, variando contemporaneamente senecessario, l’angolo di ripresa oppure effettuare rotazioni sullo stesso asse;

ispezionare superfici verticali e subverticali: ossia quello di impostare un piano di volo inverticale, che riprenda a diverse quote e con lo stesso angolo (grazie ai bracci roboticioscillanti di cui sono dotati, chiamati gimbal) superfici come costoni rocciosi, pendiiparticolarmente acclivi, edifici di varia natura, ponti, dighe, strutture di sostegno, ecc.;

richiedono spazi di decollo minimi: a differenza dei “cugini” ad ala fissa che necessitanodi superfici ampie e prive di ostacoli (vegetazione e/o insediamenti antropici) possonodecollare con pochi metri di spazio libero nel loro intorno.

328 GIS DAY CALABRIA 2015

Massimo Micieli e Mirco Taranto

Fig. 2 – APR multirotori ad ala rotante (in questo caso trattasi di esacotteri).

1.2 – Campi di applicazione.Differenti sono i momenti dell’anno in cui si manifestano fenomeni che vanno ad alterare il territorio:nelle stagioni calde gli incendi boschivi; nei periodi invernali le mareggiate, i movimenti franosi e lealluvioni, attivatisi a seguito di avverse condizioni meteorologiche, spesso accompagnati da oggettiveimprudenze antropiche. Il rilevamento di prossimità a bassa quota offerto dagli APR permette, in modo agevole, ilmonitoraggio di tali fenomeni, consentendo la realizzazione di cartografie con approccio multiscala(integrazione di dati a diversa quota), che realizzate in differenti periodi di tempo permettono ditracciare l’andamento delle linee di costa e dei percorsi fluviali, la perimetrazione di dettaglio dei corpifranosi, delle aree alluvionate e delle loro potenziali evoluzioni, nonché delle aree interessate da incendi.Quasi sempre nell’immediatezza le zone colpite da eventi calamitosi risultano di difficile accesso, sia perle particolari peculiarità morfologiche e sia per lo stato in cui versano di conseguenza i terreni e le areeinteressati. Pertanto, può capitare di dover operare in somma urgenza senza avere una chiara visionedella complessità dei fenomeni in atto, rischiando di non programmare in modo ottimale possibiliinterventi diretti alla mitigazione degli stessi. La chiara visione di tali fenomeni è, dunque, unacondizione fondamentale per le figure preposte a realizzare le azioni volte ad attenuare i rischi e lepericolosità.Poiché, a parte gli incendi e gli eventi tellurici, i normali periodi di attivazione dei fenomeni su scrittisono quelli invernali, generalmente si aspettano stagioni climaticamente più favorevoli per realizzarepossibili opere di intervento. Quindi tale attesa, accompagnata dalle oggettive lungaggini burocratiche,porta a ritardi significativi nello studio dei fenomeni e delle loro eventuali soluzioni.Non meno importanti senz’altro le possibili applicazioni di: realizzazione di opportuni elaboraticartografici di dettaglio per la progettazione ingegneristica di routine; ricognizione nelle zone interessatedai terremoti; progettazione di cave e discariche; rilievi finalizzati all’ispezione di strutture edilizie,architettoniche e di impianti fotovoltaici ed elettrodotti; controllo su abusivismo edilizio; interventi diProtezione Civile in genere.In tutte queste situazioni l’uso degli APR fornisce un valido supporto per:

intervenire tempestivamente sull’area;

ridurre notevolmente i tempi di esecuzione dei rilievi;

poter coprire una sufficiente area nell’intorno della zona interessata;

avere un punto di vista privilegiato nell’osservazione;

processare parte dei dati in tempo reale;

realizzare cartografie tematiche oggettive di estremo dettaglio.

Parte V - ACQUISIZIONE E GESTIONE AVANZATA DI DATI AMBIENTALI 329


2 – Metodologia

2.1 – Scelta del tipo di APR e del sensoreLa scelta dell’APR è legata essenzialmente alla tipologia del lavoro da realizzare, sfruttando le peculiaritàdegli APR sopra descritti (ala fissa piuttosto che ala rotante); per cui, su aree di grandi dimensioni (> di10 ettari) è consigliabile l’uso dell’ala fissa. Nel caso, invece, di rilievi ad angolazioni diverse dal nadirale,oppure in volo stazionario, la scelta risulta essere obbligata, poiché solo i multirotori permettono dieffettuare questo tipo di rilievo.Successivamente si passa alla scelta del miglior sensore da utilizzare; il panorama a corredo degli APRspazia dal visibile all’infrarosso, oppure a particolari sensori per specifiche analisi (iperspettrale, termico,lidar).Si precisa che nel prosieguo del presente articolo si farà riferimento esclusivamenteall’aerofotogrammetria da APR.Negli studi aerofotogrammetrici la scelta del sensore fotografico riveste una notevole importanza,infatti dalla dimensione dei pixel, dalla focale utilizzata (quindi dal tipo di obiettivo), dalla calibrazionedella camera e dal numero di punti di messa a fuoco dipende la qualità, l’attendibilità ed il grado didettaglio degli elaborati finali.Ciò non prescinde dalla necessità di avere un numero sufficiente di marker a terra, i quali, una voltaposizionati e ripresi dalle fotografie aeree, devono essere rilevati con sistemi GPS topografici, cheavendo precisioni millimetriche consentono di inquadrare con maggiore dettaglio le coordinateassociate agli scatti fotografici dal GPS (con precisione metrica) installato sull’APR.Fondamentale è la scelta dell’obiettivo da montare sulla fotocamera: le lenti a focale fissa sonofortemente consigliate; sui formati APS-C sarebbe da utilizzare almeno un obiettivo a 24 mm (checorrisponde a circa 36 mm del full frame). Ciò perché, indipendentemente dalla qualità e dalla fattura,tutte le lenti soffrono di aberrazione cromatica e sferica; effetti che si manifestano a maggiori aperture,ragion per cui, nelle focali più lunghe tali problemi sono ridotti. D’altra parte, a parità di altezza di voloil campo inquadrato a terra, ad esempio, da un obiettivo da 50 mm è più piccolo di quello di un 30 mm,il che significa che per coprire interamente una data area il numero di fotogrammi nel primo caso saràmaggiore. È vero che la risoluzione a terra sarà migliore con focale da 50 mm, ma di contro un numeromaggiore di fotogrammi implica più tempo per l’elaborazione. Ebbene, il miglior compromesso siottiene esaminando con attenzione quanto detto, senza dimenticare comunque che lo scopo dellacalibrazione delle ottiche è permettere ai software dedicati di eliminarne, o ridurne il più possibile, idifetti.

2.2 – Pianificazione del volo.Partendo da opportuni software che si interfacciano con l’hardware dell’APR è possibile pianificaremissioni di volo, partendo da cartografie aeree preesistenti e disponibili per tutto il globo (es:Googlemaps).Definito un poligono che racchiude l’area di interesse è possibile settare informazioni particolareggiatecome: altezza di volo, focale di ripresa, numero di waypoints, percentuali di sovrapposizione deifotogrammi sia lungo la direzione di volo che tra le strisciate; in questa fase si ottengono informazionisulla durata del volo e sulla precisione teorica del pixel a terra. In fig. 3 è mostrato un esempio di volopianificato.Nella programmazione dei voli bisogna attenersi obbligatoriamente a quanto previsto dalla normativaENAC per quanto riguarda altezze di volo, distanza massima dall’operatore e quant’altro necessario agarantire la sicurezza dell’intera operazione (Regolamento "Mezzi Aerei a Pilotaggio Remoto" – Edizione n° 2del 16 luglio 2015).Una volta pianificata, l’intera missione viene trasferita sull’APR, attraverso la cosiddetta telemetria (undispositivo che fa interfacciare il drone con il pc via radio).



Fig. 3 – Esempio di volo pianificato.

Prima di eseguire una missione è necessario verificare le condizioni meteo (accertandosi che il ventonon sia superiore ai valori massimi consigliati per l’APR) e scegliere le ore migliori (di solito intorno amezzogiorno, in base all’esposizione geografica dell’area ed alla presenza o meno di fabbricati, alberi oaltro che formino ombre sul terreno).

2.3 – Impostazioni della fotocamera.Non è da sottovalutare l’importanza delle impostazioni della camera di ripresa se si vogliono ottenererisultati attendibili e di qualità. Iniziamo col dire che è preferibile utilizzare il formato RAW, così ifotogrammi (successivamente convertiti in file TIFF) conservano tutte le informazioni, senza perdita didati (a differenza della compressione JPG che induce rumori indesiderati alle immagini).Non usare il bilanciamento del bianco automatico, ciò potrebbe alterare il cromatismo di uno stessooggetto sulle diverse foto che lo inquadrano, il che potrebbe inficiare le successive fasi di elaborazione.Utilizzare tempi di scatto più brevi possibili visto che si sta fotografando in volo, in modo da renderemeno influenti le inevitabili vibrazioni indotte dal velivolo. Di solito, in condizioni di giornata “ideale”,un tempo di scatto intorno ad 1/2000 sec risulta ottimale.La sensibilità (ISO) può essere regolata in funzione delle condizioni di luce (in presenza di cielo serenoil valore 200 è generalmente accettabile) e anche in funzione degli oggetti ripresi (se ad esempio si è suun’area in prevalenza scura è bene alzare gli ISO – ma senza esagerare – viceversa su areecromaticamente chiare). Poiché capita spesso di essere in condizioni non omogenee, si può operare congli ISO in modalità AUTO.Consigliabile, infine, l’utilizzo delle SD Card di classe 10, che sono veloci nel memorizzare le immagini,dato che in volo gli scatti sono molto ravvicinati in termini di tempo.

2.4 – Elaborazione dei dati e restituzioni.Le immagini acquisite con la fotocamera vengono trasferite sul pc insieme a tutti i dati inerenti il voloche fornisce il sistema di autopilota dell’APR. Quest’ultimo dispositivo immagazzina i LOG dellamissione, i quali contengono: Nome Immagine, Latitudine, Longitudine, Quota, Beccheggio, Rollio eImbardata di ogni singolo scatto.La prima cosa da fare è analizzare la qualità delle immagini, eliminando se necessario i fotogrammi pocoutili (ad es: foto effettuate in fase di decollo e/o atterraggio, sfuocate e/o mosse) che andrebbero a



deteriorare la precisione e la qualità dell’intero lavoro. In questo i diversi software in commerciopossono venire in aiuto con le funzioni di esclusione in automatico dei fotogrammi non utilizzabili.Si passa poi alle funzioni di calibrazione ed allineamento delle immagini. La calibrazione consistenell’eliminare i difetti legati all’ottica (aberrazioni), la quale per essere effettuata necessita dei dati dicalibrazione dell’obiettivo e dei dati di beccheggio, rollio ed imbardata.Segue l’inquadramento metrico, nel quale vengono fornite le coordinate dei punti a terra (marker)rilevate con GPS topografico, fermo restante la possibilità di inserire punti di coordinate note presi dacartografie esistenti. Quest’ultima operazione permette di assegnare l’attributo geografico (x, y, z)all’intero modello.A questo punto si istruisce il software per la costruzione della nuvola di punti 3D edell’ortofotomosaico. Tutti i dati ottenuti vengono poi esportati per realizzare i vari elaborati: curve dilivello, DTM, modello 3D del terreno, linee di discontinuità (scarpate, incisioni, rotture di pendenza),vettorializzazioni di oggetti rappresentativi (strade, edifici).Partendo dalla nuvola di punti 3D ed una volta definito il contorno dell’area di interesse è possibilepersonalizzare il modello impostando isole di estrusione (che permettono di non considerare nelleoperazioni di calcolo particolari aree).

2.5 – Implementazioni nei sistemi GIS.Le potenzialità dei Geographic Information System (GIS) permettono di associare elementi geometriciquali punti, linee e poligoni a specifici geodatabase per elaborare, analizzare e gestire dati di variogenere. Generalmente, in un contesto territoriale, consentono la sovrapposizione di specifichecartografie in un particolare datum geografico, permettendo le operazioni di georeferenziazione diluoghi o oggetti.La cartografia esistente, generalmente in scale non superiori ad 1:5.000, spesso obsoleta, non sempre sipresta alle esigenze dei tecnici che operano sul territorio; infatti, lavorare su cartografie non aggiornateed a scale inadeguate può portare ad errori considerevoli nelle rappresentazioni grafiche degli elementida riportare.Notevole quindi è l’impiego di elaborazioni cartografiche derivanti da riprese con sistemi APR; lapossibilità di sovrapporre a layers preesistenti delle ortofoto contemporanee ad un dato periodo, facilitala rappresentazione di dettaglio di tutti gli elementi di interesse. I DTM (Digital Terrain Model)ricavabili, consentono una volta debitamente interpolati, di ottenere curve di livello di estremo dettaglioche possono permettere di identificare fenomenologie irrilevabili a scale inferiori. Dal confronto dellecorografie preesistenti con quelle aggiornate derivanti da APR si possono effettuare valutazionisull’eventuale evoluzione di fenomeni geomorfologici (spostamenti della linea di costa, evoluzioni difenomeni di dissesto idrogeologico).Dalle aeroriprese da APR si possono ricavare cartografie di uso del suolo, l’alta risoluzione permetteinfatti di indentificare lo stato attuale di utilizzo del territorio (superfici artificiali, superfici agricole,superfici boschive, ambiente umido e ambiente delle acque).Utile, inoltre, la possibilità di individuare determinate porzioni di terreno interessate da incendi,consentendo di ottemperare in modo ottimale alla realizzazione del Catasto Incendi Boschivi (legge n.353 del 21 novembre 2000 “Legge quadro in materia di incendi boschivi”).La sovrapposizione di una ortofoto aggiornata ad una cartografia catastale può permetterel’individuazione di fenomeni di abusivismo (violazione di aree demaniali, disboscamento illegale,coltivazioni cave non autorizzate, discariche illecite, etc.).Le potenzialità sopra esposte potrebbero confluire in un unico portale istituzionale accessibile,divenendo uno strumento di riferimento per tutte le applicazioni che necessitano di elementi didettaglio.

3 – Applicazione del metodo

Di seguito è riportato un esempio di studio e monitoraggio di un movimento franoso in un comunedella provincia di Cosenza . Trattasi di uno scivolamento rotazionale evoluto in colata che hainteressato una strada ex provinciale che collega due piccoli centri abitati.



Eseguite le operazioni preliminari di posizionamento dei marker e relativo rilevamento con GPStopografico si è passati alla pianificazione della missione sull’APR. Acquisite le immagini del piano divolo ed effettuate le necessarie analisi di qualità, sono iniziate le procedure di allineamento ecalibrazione che hanno portato alla restituzione finale della nuvola di punti (fig. 4) edell’ortofotomosaico (fig. 5). Quest’ultimo ha rappresentato la cartografia di base usata per i successivirilievi geologico–geomorfologici.

Fig. 4 – Nuvola di punti con posizione degli scatti in volo.



Fig. 5 – Ortofotomosaico.

Gli elemnti di campagna cartografati sono stati poi informatizzati in ambiente GIS su un appositodatabase, che ha permesso la visualizzazione e l’interpolazione tra i differenti layers disponibili,restituendo migliori risultati in termini sia qualitativi che quantitativi (fig. 6).



Fig. 6 – Carta geomorfologica finale.

Inoltre, l’elevato dettaglio aerofotogrammetrico ha consentito di realizzare, sulla piattaforma GIS diriferimento, una tavola aggiornabile con i singoli punti di monitoraggio di superficie (fig. 7).

Fig. 7 – Tavola monitoraggio di superficie.



Bibliografia

Ente Nazionale Aviazione Civile (ENAC), 2015, Regolamento "Mezzi Aerei a Pilotaggio Remoto" –Edizione n° 2 del 16 luglio 2015.Legge n. 353 del 21 novembre 2000 “Legge quadro in materia di incendi boschivi”.Salerno G., 2014, “Map Design per il GIS – Guida alla realizzazione di cartografie professionali”, DarioFlaccovio Editore, Palermo.


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